CFG桩软土地基加固处理专项方案.doc

CFG桩加固软土地基处理方案
CFG(C-Cement，F-Flyash，G-Gravel)桩是水泥粉煤灰碎石桩简称，是一个新型桩体(桩径为350~600 mm)，桩身材料是在素混凝土桩基础上发展而来，关键是碎石、石屑(砂)、粉煤灰、掺适量水泥和水，桩体强度等级为C15~C20。和桩基相比，因为CFG桩体材料能够掺入工业废料粉煤灰、不配筋和充足发挥桩间土承载能力，工程造价通常为桩基1/3~1/2，含有施工速度快、工期短、质量轻易控制等特点。
1. 设备选型
CFG桩施工工艺归纳起来关键有以下两种方法，即振动沉管打桩机施工和长螺旋钻管内泵压施工。振动沉管打桩机施工关键机具为振动沉管机、搅拌机，含有施工操作简便、施工费用较低及对桩间土挤密效应显著等优点，缺点为振动及噪音污染严重，难以穿透硬土层，施工时混合料运输通常为翻斗车或人工运输，效率相对较低，新打桩对已打桩产生不良影响(如挤断已打桩)。长螺旋钻管内泵压施工机械是由长螺旋钻机、混凝土泵和强制式混凝土搅拌机组成，含有低噪音、无泥浆污染、是城区和居民区首选工艺，穿透能力强、施工效率高等优点；缺点为施工费用较高，施工操作复杂。
考虑客运专线施工基础不受噪音、排泥浆限制和采取泵送混凝土施工条件难以含有等原因,在非塑性指数较高饱和软粘土和淤泥质土地段可选振动沉管打桩机施工。国产振动沉管机多采取浙江瑞安建筑机械厂和兰州建筑通用机械总厂生产设备，其产品技术性能指标如表1所表示。
长螺旋钻孔钻机结构形式和工作原理图1所表示。
表1 浙江瑞安建筑机械厂DZKS、DZL系列振动锤关键技术参数
项 目
DZ45KS
DZ60KS
DZJ37
DZJ60
电动机功率/KW
200
270
0~278
0~500
偏心轴转速/（r/min）
1100
1100
920
900
激振力/KN
271
360
0~252
0~453
许可拔桩力/KN
130
200
120
200
许可加压力/KN
100
120
90
100
重量/kg
3684
4512
3660
5100
外形尺寸/mm
1900×1240×1745
2054×1250×1850
1466×1149×1936
1500×1250×2100
图1长螺旋钻孔钻机结构形式和工作原理图

单机作业单元机具配置如表2所表示。
表2 单机作业单元机具设备配置表
序号
机具设备名称
单位
数量
备注
1
振动沉管（或长螺旋钻孔）桩机
台
1

2
滚筒式混凝土搅拌机
台
1

3
机动翻斗车
辆
2

4
铲车
辆
1

5
电焊机
台
1

2. 适用范围及条件
振动沉管水泥粉煤灰碎石桩施工工艺属于非排水成桩工艺，关键适适用于松散砂土、粉土、素填土和杂填土等多个软土地基提升承载力加固处理，尤其适适用于松散粉土、粉细砂加固。它含有施工操作简便、施工费用较低、对桩间土挤密效应显著等优点。现在关键应用于挤密效果好土和可液化土地基加固工程，空旷地域或施工场地周围没有管线和不存在扰民地基处理工程。
长螺旋钻孔灌注成桩适适用于地下水位上黏性土、粉土、素填土、中等密实以上砂土，属非挤土成桩工艺，该工艺含有穿透能力强、无振动、低噪音、无泥浆污染等特点，但要求桩长范围内无地下水，以确保成孔时不塌孔。
3. 工艺原理
图2 CFG桩加固软土路基结构示意图
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩简称，其结构形式图2所表示。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成高粘结强度桩，桩身强度等级多在C15~C20之间，可全桩长发挥侧向摩阻力，桩端落在好土层时可很好地发挥端部阻力，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。在复合地基增强体(桩体)系列中，它置换作用最强。
CFG桩、桩间土、褥垫层。三者一起形成复合地基。当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土全部要发生变形。桩模量远比土模量大，桩比土变形小，因为基础下面设置了一定厚度褥垫层，桩能够向上刺入，伴随这一过程垫层材料不停补充到桩间土上。以确保在任意荷载作用下桩和桩间土一直共同参与受力,减小基础底面积应力集中，调整桩、土应力比，伴随褥垫层厚度增大，复合地基桩、土应力比变小，直至靠近于1。当褥垫层厚度达成一定程图3 CFG桩复合地基和一般桩基对照图

度时,地基反力即为天然良好地基反力。CFG桩复合地基于一般桩基比较图3所表示。
4. 施工方法
4.1 施工准备
1. 核查地质资料，结合设计参数，选择适宜施工机械和施工方法。
2. 施工场地准备。要求三通一平，即施工便道通、水通、电通及施工场地平整；挖掘机、推土机和自卸汽车配合挖除地表0.3m厚种植土，清除树根、草根及芦苇根，假如挖除0.3m后仍不能完全清除杂物，则应继续挖除，直至清除洁净为止；在路堤两侧坡脚1m以外挖两条纵向排水沟降低地表水。
3. 按路基中线控制，进行桩孔施工放样测量。现场测量复核施工加固范围，对设计和现场实际情况不符(所加固范围地质及地基基础承载力、设计施工数量等)，应提出修正意见，并报监理及设计部门。
4. 振动沉管打桩机施工CFG桩尽可能利用工业废料作为掺和料。其骨干材料为碎石即粗骨料；石屑为中等粒径骨料，当桩体强度小于5MPa时，掺入石屑可使桩体级配良好；粉煤灰既是细骨料又是低标号水泥，可使桩含有显著后期强度。
5. CFG桩原材料包含砂、碎石、水泥、粉煤灰和外加剂，在进场前需确定原材料种类、品质，并将原材料送至试验室进行检验，并依据设计对混合料强度C20要求设计多个配合比，从中选择一个最好配合比，选料时多用袋装P32.5一般硅酸盐水泥；碎石或卵石粒径采取8~25mm；砂含泥量小于5％；粉煤灰采取袋装I级或Ⅱ级。
6. 施工技术交底，包含设计桩长、桩位部署、施工配合比、桩位高程等。对施工场地进行计划，合理部署机具、材料摆放位置，尽可能降低无须要工序。
7. 按设计图进行施工放样，并用竹、木桩或石灰做出显著标识。施工次序应由外围或两侧向中间进行。
4.2 振动沉管灌注法施工
1. 机械按设计桩位就位，安装桩机时需确保其垂直度偏差小于1％，并正确对位。依据设计桩顶标高和地面高程关系，在套管上画线标明桩顶和桩底位置，以确保其深度。
2. 依据设计配合比用滚筒式搅拌机拌合CFG桩混合料，计量必需正确，上料次序为：先装碎石或卵石，再加水泥、粉煤灰和外加剂，最终加砂和水，使粉煤灰和外加剂夹在砂、碎石之间，不易飞扬粘附在筒壁上，也易于揽拌均匀。拌合完成后采取翻斗车运输。
3. 振动沉管至设计深度。开动桩机，沉管过程中做好统计。每沉1m应统计电流表上电流一次，并对土层改变处给予说明；套管下沉到设计高程后，经过套管上加料孔，用料斗向桩管内投入拌合料。
图 3 振动沉管打桩机施工工艺步骤图
4. 用搅拌机拌合水泥、粉煤灰、碎石混合料，应检验其坍落度。坍落度、拌合时间应按工艺性试验确定参数进行控制，且每盘料搅拌时间不应小于60s，坍落度控制在16~20 cm。向管内一次投放混合料，投放数量按试桩时确定数量进行，投料后留振5~10s。
5. 拔管时应先开启电动机，进行留振，然后拔管。拔管速率宜按试桩确定参数进行控制，通常控制在1.2~1.5m/min较适宜。拔管过快易造成局部缩颈或断桩；拔管太慢，振动时间过长，会使桩顶浮浆增厚，易使混合料离析。如碰到淤泥或淤泥质土，把管速率应放慢；拔管过程中不许可反插，如上料不足，须在拔管过程中空中投料，不许可停拔后投料，拔管至桩顶，以确保成桩后桩顶标高达成设计高程。考虑保护桩长，施工桩顶标高宜高于设计标高50cm，浮浆厚度不超出20cm。
6. 对已经完成桩体，桩顶采取湿黏土封顶保护；成桩区保护，应严禁一切机械在成桩区或周围行走，扰动桩体，以预防损坏桩头。
7. 当CFG桩混凝土达成设计强度时，可将桩顶设计标高以上桩头截断。剔除桩头采取人工施工，测出桩头顶面设计标高，在同一水平面上采取三根钢钎呈120度角同时水平凿进，桩顶用小钢钎修平。严禁出现斜面、裂纹。
8. CFG桩复合地基经监理工程师检验合格后方可进行褥垫层施工。褥垫层宜采取静压法施工，即依据设计要求铺设垫层厚度并分层压实。为确保工程质量采取集中拌和，使用混合料材质、规格必需有出厂合格证，材质检验和混合料施工配合比应报监理工程师同意后方能使用。
4.3 长螺旋管内泵压混合料灌注法施工
1. 钻孔开始时，关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触及地面时，起动电动机钻进，通常应先慢后快，这么既能降低钻杆摇摆，又轻易检验钻孔偏差，方便立即纠正。在成孔过程中，如发觉钻杆摇摆或难钻时，应放慢进尺，不然较易造成桩孔偏斜、位移，甚至使钻杆、钻具损坏。钻进深度取决于设计桩长，当钻头抵达设计桩长预定标高时，于动力头底面停留位置对应钻机塔身处作醒目标识，作为施工时控制桩长依据。正式施工时，当动力头底面抵达标识处桩长既满足设计要求。施工时还须考虑施工工作面标高差异，作对应增减。
2. 在钻进过程中，当碰到圆砾层或卵石层时，会发觉进尺显著变慢、机架出现轻微晃动。可依据这些特征来判定钻杆进入圆砾层或卵石层深度。
3. 水泥粉煤灰碎石桩成孔到设计标高后，停止钻进，开始泵送混和料，当钻杆芯杆充满混合料后开始拔管，严禁先提管后泵料。成桩提拔速度以控制在2~3m/min，成桩过程宜连续进行，应避免因后台供料慢而造成停机待料。若施工中因其它原因不能连续灌注，须依据勘察汇报和已掌握施工场地土质情况，避开饱和砂土、粉土层，不得在这些土层内停机。灌注成桩完成后，用水泥袋盖好桩头，进行保护。施工中每根桩投料量不得少于设计灌注量。
4. 当一根桩施工完成后，钻机移位，进行下一根桩施工。施工时因为水泥粉煤灰碎石桩排出土较多，常常将临近桩位覆盖，有时还会因钻机支撑时支撑脚压在桩位旁，使原标定桩位发生移动，所以，下一根桩施工时，还应依据轴线或周围位置对施工桩位进行复核，确保桩位正确。
4.3 常见问题及处理方法
1. 施工扰动土强度降低，振动沉管成桩工艺和土性质含有亲密关系。就挤密性而言，可将地基土分为三大类：其一为挤密性好土，土松散填土、粉土、砂土等；其二为可挤密性土，如塑性指数不大松散粉质粘土和非饱和黏性土；其三为不可挤密土，如塑性指数高饱和软粘土和淤泥质土。针对饱和软土，尤其是塑性指数高淤泥质土，振动将引发土体孔隙水压力上升，土强度降低。振动时间越长，对土和已打桩不利影响越严重。对此种情况可采取静压振拔方法，就是沉管时不起动发动机，借助桩机本身重量，将沉管沉至设计标高。填满料后再开启电动机振动拔管。
2. 在饱和软土中成桩，桩机振动力较小，当采取连打作业时，新打桩对已打桩作用关键表现为挤压，即使得已打桩被挤成椭圆形或不规则形状，严重产生缩径和断桩。在上部有较硬土层或中间夹有硬土层土中成桩，桩机振动力较大，对已打桩影响关键为振动破坏。
针对打桩施工对相邻桩影响，可选择合理桩间距和钻孔次序减轻影响。桩间距较大时，采取隔桩跳打法；在饱和松散粉土中施工，假如桩间距较小，不宜采取隔桩跳打法。因为松散粉土振密效果好，先打桩施工完后，土体密度会有显著整加。而且打得桩越多，土密度越大，桩越难打。
对于桩顶上升量较大桩可采取逐桩快速静压，以消除可能出现断桩多复合地基承载力造成不良影响。静压桩基就是用打桩沉管机，在沉管机桩架上配适量压重，配重大小根据施加于桩压力大于1.2倍桩设计荷载为准，通常时间为3min。
3、桩机卷扬系统提升沉管线速度太快时，为控制平均速度，通常采取提升一段距离，停下来留振一段时间，不然，速度太快可能造成缩径断桩。拔管太慢或留振时间过长，全部会使得桩端部桩体水泥含量较少，桩顶浮浆过多，而且混合料也轻易产生离析，造成桩身强度不均匀。
针对拔管速度控制，可先经过试验，检验拔管速度在1.2~1.5m/min范围内是否适宜，再经过沉管变数器系统控制拔管速度。
5. 劳力组织
CFG单桩作业单元应配置施工人员以下：
1. 现场指挥1人，负责桩机就位、开机、填料、拔管、混凝土搅拌、运输等工序施工安排及安全、质量管理。
2. 振动沉管打桩机操作班4人，司机1人。
3. 混凝土搅拌班司机1人，装卸工6人负责骨料装、运、卸及上料。混凝土灌注班4人。
4. 铲车司机1人，翻斗车司机2人。
5. 现场统计1人，负责统计施工过程中各工序起、止时间、拌合料填入数量和钻孔、拔管高度、振动时间等数据。
6. 机械维修工2人，负责机械修理，确保机械正常运转。
6. 质量检验标准
1. CFG桩数量、部署形式及间距符合设计要求。
2. 桩长、桩顶标高及直径符合设计要求。
3. 褥垫层厚度和密实度应符合设计要求。
4. CFG桩施工中，每台班均需制作检验试件，进行28d强度检验。成桩28d后应立即进行单桩承载力或复合地基承载力试验，其承载力、变形模量应符合设计要求。
5. CFG桩施工许可偏差表3所表示。
表3 CFG桩施工许可偏差
序号
检验项目
许可偏差
检验方法和频率
1
桩位（纵横向）
50mm
尺量，抽查10％
2
桩径（mm）
大于设计
抽查10％
3
桩长（m）
大于设计
查施工统计，实测
4
竖直度
≤1%
查施工统计，实测
7. 检验及试验方法
1. 桩强度检验：CFG桩灌注期间，施工单位每台班做一组（3块）试块，作好养护，试件标养28d送试验室作抗压强度检验。
2. 成桩15d后作竖向静载试验。
3. 桩长、桩均匀性、完整性定性检验，桩总根数5％采取低应变进行动测试验。
小应变检测采取中国成全部生产ZK-5机械阻抗法检测仪进行单桩机械阻抗法低应变检测。该方法适适用于桩身完整性检测，推定缺点类型及其在桩身中位置。本方法有效测试范围为桩长和桩径之比值小于30；对于摩擦端承桩或端承桩其比值能够小于50。
现场检测：
（1）桩振动响应测试点应根据下列标准部署；
桩径小于60cm时，可部署一个测点；桩径为0.6-1.5m时，应部署2-3个测点；桩径大于1.5m时，应在相互垂直两个径向部署4个测点。
（2）现场测试应根据下列步骤进行：
安装全部测试设备，并应确定各项仪器装置处于正常工作状态。在测试前应正确选择仪器系统各项工作参数，使仪器在设定状态下进行试验。在瞬时激振试验中，反复测试次数应大于4次。在测试过程中应观察各设备工作状态，当全部设备均处于正常状态，则该次测试为有效。在同一工地如当某桩实测机械导纳曲线幅度显著过大时，应增大扫频上限，并判定桩缺点位置。
（3）检测数据处理和推定：
桩身完整性应根据下列步骤综合判定：依据测试导纳曲线，初步确定各单桩中完整桩，并计算波速和各完整桩波速平均值；计算各单桩测量桩长、导纳几何平均值、导纳理论值、导纳最大峰幅值、动刚度、嵌固系数、土阻尼系数和同一工地所测个桩动刚度平均值和导纳几何实测平均值平均值；依据所计算参数及导纳曲线形状，根据要求推定桩身完整性、确定缺点类型，计算缺点在桩身中出现位置。
在搜集当地域同类地质条件下桩静载试验资料，并应确定载单桩外部尺寸相同情况下许可沉降值，采取在许可荷载作用下许可沉降值计算单桩竖向承载力推算值。
4. 复合地基承载力试验方法：
采取平板荷载试验检测处理后复合地基承载力及变形模量。
试验采取地锚施加反力，慢速维持分级加载荷载法。经过1.0×1.0m方型荷载板对复合地基施加竖向压力。复合地基产生变形沉降时，经过对称放置在承载板上两个百分表进行观察。
荷载分级：加载分8~12级进行，每级加载量为预估及加载总量1/（8~12）
变形观察：每级加载后，间隔5、10、15min各测读一次，以后每隔15min测读一次，累计1h后隔30min测读一次。
沉降稳定标准：每一小时沉降不超出0.1mm时认为已达成相对稳定，能够下一级荷载。
终止加载条件：
（1）沉降量急速增大、土被挤出或压板周围出现显著裂缝。
（2）累计沉降量已大于压板宽度或直径10％。
（3）总加载量已为设计要求值两倍以上。
采取复合地基承载力试验，其基础值应满足（σ≥150kPa）设计要求。
8. 质量确保方法
1. 正式施工前，应选择两根桩作为试验桩，进行试桩试验，确定施工参数。
2. CFG桩原材料包含砂、碎石、水泥、粉煤灰和外加剂，在进场前需确定原材料种类、品质，原材料和半成品要含有出厂合格证及复试汇报单。
3. 将原材料送至试验室进行检验，并依据设计对混合料强度C20级要求设计多个配合比，从中选择一个最好配合比。
4. 依据桩位平面图及现场桩位基准点，对桩点位采取正确测量工具放点，并打孔30cm深，灌入白灰做标识。
5. 依据地面高程和设计桩底高程关系，在套管上画上设计深度线，以确保直观观察到套管入土深度。
6. 正式施工时，要严格根据设计要求桩长、桩径、桩管提升和速度、等施工参数进行施工。以确保挤密均匀和桩身连续性。